Tài liệu Cơ sở công nghệ vi điện tử và vi hệ thống

CO sỏ CÔNG NGHỆ VI ĐIÉN TỬ & VI HỆ THỐNG U P N H À X U ẤT BẤN KHOA HỌC VÀ KÝ T H U Ậ T HÀ NỘI 1999 6T7J ---------------- S ‘Í 9 . M K H K T . 99 . Lời giới thiệu C u ố n sách ” C ơ sở rô n g nghệ vi điện tử và vi hệ th ổ n g ” c ủ a tiỂn sĩ NguyỄn N am T^img giới th iệu với bạjí d ọ c m ộ t công nghệ mới c ủ a nền k hoa họ c công nghệ th é giới: cồng ng h ệ vỉ hệ th ố n g . C ộng n g h ệ vi hẹ thỗng b d t nguòn từ công nghệ vi điện tử và hiện ỉỉay d ã p h à t triể n tlìàn h m ộ t cổng nghệ d a ngàũh. C ông ng h ệ vi hệ thổng dược coi là m ộ t tru n g n h ử n g công n g h ệ ch ìa khóa củ a th ế ký hiú in ư d m ót. D ể th iết ké cá^ hộ th ỗ n g ngầy càng nhò v ầ gọn nhẹ> ngoài các vi m ạch diện tử công ughệ vi hẹ th ổ n g còn cỏ k h ả n&ng cấy thẽm cảc b ộ p h ậ n vi cơ, ví quang hoặc vi lưu trê n cù n g m ộ t vi m ạch silic. Công nghệ m ứ n ầy không nhừng đổi hỏi nhữ ng công tỉgliệ cìié tạ o mới ĩiìà còn càn dén những kỷ th u ộ i mới tro n g th iổ t kể và th ử nghiệm . C ổ n g nghệ n ày c ũ n g cần m ộ t lưựng thông t ÌQ lớn từ nghiẽn cứu cơ bàn c ủ a càc hiẹn. tưựiig v ật lỷ tro n g khỡiig fỊÌaỉì siẽu nhỏ. cỏỉkg nghệ vi hệ th ố n g d à dược dưa vào chưc^g trìn h giảng dạy kỷ bư diện v ầ kỳ sư ch ế tạo m áy c ủ a h ầu h ế t cồc trư ờ ng dại học nói tiẽn g tạ i ch&u Ả u cũng như tại li o a Kỷ. C uốn s ã d ỉ n ày chọn lọc m ột 3Ổ kìỂn thứ c cơ bản c ủ a cồng nghệ vi hệ th đ n g do tá c giả b iên soạn và s á p x ép lại tro n g thờ ị gỉân làm việc tạ i Đ ại học T ổng hợp K ỹ th u ậ t C h em n itz (C H L B Đ ừc) vầ tạ i Đại học T6ng hỢp C alifo rn ia Berkeley (H oa K ỷ). H) vụng rỉuig cuốn sách 8ẽ g iúp ích cho các sin h viên Vá kỹ sư tro n g cÂc ỉĩnh vực: vật lý ửng dụng, diện tử , vi d iện t ử và kỷ th u ậ t do. CuổQ sách x u ỉ t bản lầ n d ầ u nên chác chán khõng trà n h kbỏi nhửiig thiếu sò t. R ất moQg dưỢc b ạn đ ọ c góp ỷ. T h ư góp ỷ xin gửi \ i N h à x u á t b ản K hoa học và K ỷ th u ậ t • 70 TVằJi Hưiìg - H à Nội. T huật ngữ viết tắt ACVD lỉE S O I iiS M -S O I BOX C A IB E CDE CM O S CM P CVD clR-AM ECU lỉT O IS F E T IT O LIGA LCD LO C O S LFCVD LTO LTV M E R IE M IM M OCVD M OS PECV D PM M A PSG HVD UIE RII3E iư IIT P SA CV D A tm ospheric C hem ical V apour D eposition B onded E tched-B ack Silicon O n Isu lato r B lark Silicon M ethod-Silicon on Isu lato r B u ried O xide C hem ically A ssisted Ion B pam E tch in g C hem ical D ry E tching C o m p lem en tary M etai O xide S em iconductor C hem ical M echanical Polishing C hem ical V apour D eposition D ynaroic R an d o m Access M em ory E lectro n C y clo tro n Rg&oQance H ig h -T em p eratu re Oxide Ion Sensitive F ield Effect 1>aDsistor Indium T io O xide L ith o g rap h ic G alvanofonnung A bfo rm u n g (tién g Đức) Liquid C ry sta l Display L oral O x id atio n of SiliccMi Low P re ssu re C hem ical V apour D eposition Low T e m p e ra tu re O xide Local T h ickness V ariattion M agnetically E n h anced R eactive lun E tch in g Mfìt&ỉ Iftiilator MetỉU M etal O rg an ic C hem ical V apour D cpoaition M etal O x id e S em iconductor P ỉaam a E n h an ced C hem ical V apour D eposition P o ly m eth y lm eth d cry lat P h o sp h o ro u s Silicate Glass P hysical V ap o u r D eposition R eactive lun E tching R e a a iv e Ion Beani E tching R adio Frequency R a p id T h e rm a l P rocessing SubKAtm ospheric ChemirAl V apour D eposition SC R E A M SIM O X S IM P L E SO I SOS sRA M TCP TEOS TFT T R IE Single C ry stal R eactiv e E tch in g aiid M etallisation SeỊ>aration by Im p la n ta tio n o f Oxigeỉỉ SUicoa M icrom achining by P la sm a E tching Silicon on Isulator Silicon O xide Silicon S ta tic R andom A ccess M em ory TVansmỉsaion C o u p led P la sm a Te t ra -E t h y !-0 rtho-S i 1i cate T h in F ilm TYanaistor IV iode R eactive Ion E tching M ục lục L ờ i g iở i t h i ệ u ỉ T h u ậ t n g ữ v ỉế t t á t 3 M iic lu c 5 C hư ở E ig 1 L ịc h s ử p h á t t r i ể n 9 ChướKìg 2 V i d i ệ n t ử 2.1 T ụ o l ở p ........................................................................................................................ 2.1.1 K é t tủ a khí h ó a .......................................................................................... 2 .L 2 KỂt tủ a khí l ý .............................................................................................. 13 15 15 16 2.1.3 Ô xi hóa n h i ệ t .............................................................................................. 2.1.4 P h ủ li tâ m ............................................................................ ..................... 2.1.5 C áy i o n ................................................................................... ..................... 2.1.6 G h ép đ ĩa và an m òn bề m ặ t ............................................. ..................... 2.1.7 C ảc loại l ớ p ................................................................................................. Tạo h l n h ........................................................................................................................ 2.2.1 D ịn h h lnh p him cảm q u a n g .................................................................. 2.2.2 Q u a n g k h á c ......................................................................... .................. 2.2.3 Q ư ố trin h tru y ề n h ì n h ............................................................................. 2.2.4 T ảy m ì ú ì g ..................................................................................................... Ă u l ì ì ồ n ........................................................................................................................ 2.3.1 Ản m òn ư ơ t .................................................................................................. 2.3.2 A a m òn k h ô .................................................................................................. 2.3.3 C ác loại khỉ p h ản ửng và phướng trìn h phồn ứ n g ........................ C ấy tạ p d i Ẩ t ............................................................................................................. 2.4.1 K huéch tá íi n h i ệ t ....................................................................................... 2.4.2 C ấy i o n ......................................................................................................... 2.4.3 H o ạt h ỏ a tạ p c h á t .................................................................................... 18 19 20 20 21 34 34 35 36 37 36 39 40 4C 47 47 47 48 C h ư ơ n g 3 V i c ơ s ilic 3.1 V ỉ cơ k h ớ i .................................................................................................................... 3.1. ỉ Q u an g khác h ai ữ ì ậ x ................................................................................. 3.1.2 Ả n m òn dị h ư ớ n g ........................................................................................ 55 55 56 57 2.2 2.'ò 2.4 6 MỰC LỤC 3.2 3.3 3.4 3.1 .3 A n ĩnòn k h ô ........................................................................ 3.1-4 G h é p nổi đ ĩ a ....................................................................................... 3.1 .5 X ử lý th ủ y t i n h ................... ......................................................... V i cơ b ề m ặ t ............................................................................................................... 3.2.1 V i cơ b ề m ặ t dù n g lớp hy s i n h .............................................................. 3.2.2 V ậ t liệu lớp hy sinh .................................................................................... 3.2.3 T h iế t k ế chi tiế t vì cơ b ề m ạ t d ù n g lớp hy s i n h .............................. 3.2 .4 P h ư ơ n g p h á p b it k l n .................................................................................... 3.2 .5 D in h cáu trủ c khi &n m òn lỉí^ hy s i n h ................................................ V i cơ g ầ n b ề m ặ t .................................................................................................... 3 .3 .ỉ S C R £ A M (Single C ry s ta l R e a c tiv e E tc h in g a n d M eU iliisỉition) 3.3 .2 S IM P L E (Silicon M icrom achiD Ỉng by P la s m a E tc h in g ) . . 3.3.3 SỈM O X (S ep aratio n by Im p la n ta tio n o f O x y g e n ) ........................... 3.3.4 B S M -S O I (B lack Silicon M e th o d -S ilic o n o n l a a u l a u ^ r ) ................ V Í c ơ L I G A . .................. .................................................. ............................. 3.4.1 Q u a n g k h á c ..................................................................................................... 3 .4 .2 M ạ d ì ệ n h ổ a ................................................................................................. 3.4 .3 Đ ú c ch i t i é t ..................................................................................................... GO 01 02 63 C3 C3 G4 ũ'ị cc GG 67 G7 68 G8 G> về g iâ cũng Iihư c K ỉt Iượng. C ũng Qghệ vi h ệ th ố n g dkỉnh ](\ lổi th(XiL c ủ a VỈUI iìv uáy. Néu ĩìhừng nỗjn Uun m ươi và cliío m ư d i à '’th ậ p k ỷ c ủ a vi xử iý" lìú th ặ p kỷ UÍI h(‘ là " th ậ p kỷ c ủ a vi h ệ th ỗ n g ” . C u ố n sảch C ớ s ở c ô n g n g h ê v i d iệ n t ử vò v i h ệ t h ổ n g cỏ iniic dicli glứi tliivu nhữ ng kỹ t h u ậ t v à ứng d ụ n g cơ bản c ủ a công nghệ vi diện tử nỏi rlẽiằg và vì hộ nới chung với sin h viẽn v à các n h ầ nghiên cứu tro n g nhiỄu lĩnh vực kỳ th u ậ t: vịit 1} ứng dụiỉg, d iệ n tử , vi diện tử vả kỷ th u ậ t đ o . C ả d ỉ phclii luại từ u g cổiỉg và từ n g vi d ụ thiỂt ké được d ự a trô n các cliưưng trin lỉ dào tại lứiièii irư u n g iiại học ở ch âu Ả u YÒ, H oa Kỷ. NgoÀì chươQg 1, cuốn sÀch dược chia là m ahiìì phầỉi dỉínli: • Vì cổng n g h ệ vi h ệ th ổ n g cùng bao h à ỉn c ả còng nghẹ vi (ỉỉộn l ử , cuốn ỉsdc*h (laitli chương 2 d ể giới th iệu những q u à triỉkh xử lý câJi bản tru n g cOiỉg n g h ệ CM O S (C o m p lem en tary M e ta l O x id e S em ico n d u cto r), côiig nghệ d i e xụu vi iUặvU vi x ử ỉỷ vầ v i m ạch bộ nhớ). C hương n à y giỂA thiệii Dguyẽa tác cliẽ tạ u V'ầ Ciu* kxti th iế t bị cầỉi th ié t tro n g toảii dây chuyẽn chỂ tạ o vi Hìsu:h dlệỉJ t ử. • T iế p th e o , nhCfng kỹ th u ậ t dặc b iệt c ủ a công nghệ vi cơ dưực giới th iệ u trong chưcfìig b a. Chươỉig này giúp bsin d ộ c hiẻu diiợc uhững kỷ th u ặ t chế ta o c!ii liỉ^t vi cơ và c ầ d i ứng d ụ n g chúng tro n g việc thiỂt ké các ehi tu lt aiéii n h ỏ ii\on^ muốn. • Chư^ kln n h ấ t d ịn h . N liững th a in sỗ khồc là các d iề u kỉ$n vật lý còn ]ại như ìú ú ệ i iiộ , d ộ ầiik. vận tổ c dò ng k hi vù ru n g d ộ » g nẽn. T h a m số sạch dược xốc ứịìúì b ử ( liuAiỉ V S(U uittH l S ta te s, còn gụi lầ ch u ẳn M ỹ), xem hỉnh 2.1. K í c h i h ư d c h«^ b ọí H ì n h 2 . Ĩ Ĩ C&c b ạ a g p h ò a g SẠcb t h w c h u ẩ n ư s (k ích th ư ớ c h ạ t bụi (in h tlu*ỉo m k r o tij Đ iéu kiẸn phòQg sạch ch o vi m ạ d i 16 M B hiện nay là hạiig I liay KÌẽu ỈHuig. Hinli 2.1 cbo th ấ y rỏ rằ n g ph ò n g sạch củ a h ạ n g nầy ch i cho p h é p tồn UỊÀ !ilỉiẽu n h iíi 35 hụi với k lrh thxtờc 1/ểtn tríMìg m ộ t fiw t khối (0,03m*^) DỂ snn x u ấ t Hii tiố t vi cơ thựr r a đ ộ sạch ch! c ằ n d a o d ộ n g g iữ a hạng 1000 d ển h^uig ỈO. Đ ể th ự c hiỆn cấc qu ủ trìn h cỗng ng h ệ vi \ìệ chổng» ta C&ỈI m ội aố ỉnay m ức d(U b iệt. N hững rnáy m óc Iiày sẽ dưực giới th iệ u kỷ dưới do két q u ả ngay tro n g khi dcUig x ử lý, « đièu kiện ch ăn kh ô n g liẽn tực» • giảm q u ấ tả i n h iệ t tro n g q u à trìn h xử lý> • giảm sđ ỉỏi tro u g q u ả triu h xử lý, ĩạo\ữf> 2.1 15 • tAỉig n â n g g u á t b&ng cách tâ n g kinh thư ỡc đ ĩa silìc. C àc kỹ th u ậ t ch ín h c ủ a vi d iện t ử sẻ được b ầ s d ể n tro n g nbttng ph àn tiép th eo . 2.1 Tạo lớp C ố n h iẽ u phương ph&p tạ o lớp. T ù y th e o đòi hỏi về c h á t lượng vật lỷ vầ h ố a hục củ a chủn g tro n g vi m ạch , t a cú th ề chọn phươDg p h á p th ích h<^. T a phỉLi biệt hai phương p h ấ p tạ o lớp chinh: • loại ỉrự c iiếp đ ù n g silic làm v ặ t liệu chính d é h ln h th à n h lớp, silic cố lế c d ụ n g n h ư m ầm tin h th ổ , hoộc là m v ậ t liệu dổi tá c tro n g p h ả n ứng hóa học (epitaxỉ, ôxi h ó a nhịệị^ k ỗt tủ a k hí hổa) Và • loại g iá n tiế p ch i dử n g silic ìầĩũ nỄn cho v ậ t liẹu khÃc (két tủ a khỉ lỹ) 2.1.1 K ế t tủ a k h í hóa K é t t ủ a k h ỉ h ó a ( c h e m i c a l v a p o u r d e p o s i t i o n , C V D ) là piỉươỉig p h á p quan trọ n g n h ă t đ ể tạ o tr ẽ n m ộ t v ật liệu nền cấc lớp vỡ d ịn h hin h , dơn tin h th ề v à d a tiĩih th ẻ . T a p h ản b iệ t b a loại k ểt t ủ a k hi hỏa k h ác nhau: • tạ i ầp 8 uăt khôDg khí [A P C V D ị A tm ospheric P ressu re C V D ), • áp s u i t th á p {L P C V D , Low P ressu re C V D ), • v ầ tro n g p la sm a [PEC VD ^ P lasm a E n h an ced C V D ). Q u á trỉn h k ể t tủ a k h i b ổ a x&y r a th e o c&c bước sau đÂy: • d ẳ n k hỉ tả i ch&t p h ản ử n g vào lổ vá d ư a lẽn b6 m ặ t vật liệu nền, « k ế t tủ a hay h á p th ụ c h ấ t phảkn ữ&g trẽ n b ỉ m ậ t vật liệu nền, • pUẰn ử ng h ố a h ọ c irAo b ề tnẠt v ậ t ỉỉệUi ỉ Ỉ ỉỉỉ • thoẤ t khỉ th ả i c ủ a p h ản ứng h ó a họC) • vộa chuyền k hỉ th ả i khỏi b i m ậ t vạt ỉiẹu n in vò, lò p h à n ứng. Nếu v ậ t liệu aền kh ô n g cho p h ép n h iệt dọ p h ả n ứng cao {trén 300»,.400®C) t a phải tién h àn h p h ả n ứ n g tro n g plaỉỉm a. Tác động giữ a diện từ vât ph&n tA khỉ hỉnh ion, nguyên tử , ioũ p h ãỉỉ tử tự d o c ủ a c h ấ t p h à n ứ ng d ư ^ dạn g pUưtna. K hối plaam a nồỵ được d á n đ ín b ề m ặt vật Uệu nền vầ dược h í p th ụ ở dờ. N hiệt độ i ì h ỚÌO phÌA ứng tro n g trư ờ n g h ợ p n ày th á p hđ n nhiệt đ ộ tro n g C V D th õ n g thư ỡiig r á t nhiỄu. N bờ cổ h ệ th ú n g E C R (E le c tro n C y c lo tro n R esonance) phư ung P E C V D c6 th ể tậ o râ oh ữ n g lỡp có c h á t ỉượng cao lệ ì n h iẹt đ ộ t h í p v& tố c độ k ết tủ a tư dng dối o h an h . Đ iẻm đ ạc b iệ t c ủ a phư ơng ph&p n&y ỉà vị trỉ câch b iệ t c ủ a n d h ln h th à n h p ia sm a (v i b a 2,45 G H 2 , n6n g d ộ p la sm a c ao , &p su ấ t t h ỉ p ) v ầ lồ p h ả n ứng. H ình 2 .2 m i€u tả cếc \oệi lồ k ế t tủ a khỉ h ỏ a thC ng dụng. P ò n g k h í p h ả n ứf^g D ĩ a s i li c NgLi&n n h ỉ ^ l ' ? I Rá b ư m c h â n k h ô n g ìC h . d) \ .n .n ,n n n i n í n i n ỉ r ^ T vOOOOOOOỠ OOQOOOOO T T tTT♦ A V t Tt Af TTV Ị Y _ J \ rWHJummuin “• “O o o o o o o 0 fì L*-o o o o o o o 0 ỉ ĩln lk 2.2*. Cềmc lò CVD tikOag dụxk^. Mùi ịẨhĩi oh\ dửagkh) phttỉi ứng. Ì - Xem thêm -